在海洋勘探、深海作業及水下機器人應用中，穩定的抓取能力與同步的環境感知對任務執行的可靠性至關重要。然而，水下環境普遍存在視覺退化、流體擾動等復雜因素，顯著削弱了傳統基于視覺的感知系統及剛性結構設計在魯棒性與適應性方面的表現。近年來，隨著軟體機器人與柔性傳感技術的快速發展，其在安全交互、輕量化結構設計及高功能集成方面展現出獨特優勢，為實現智能且穩健的水下操作提供了有前景的解決方案。然而，現有水下抓取與環境感知研究仍普遍存在系統架構離散、結構復雜及長期可靠性不足等問題，難以實現時空信息的同步獲取，從而制約了觸覺與環境參數的協同感知能力。

為應對上述挑戰，清華大學深圳國際研究生院曲鈞天團隊提出了一種面向水下多模態感知的厘米級剛柔耦合仿生手指系統，實現了緊湊結構下多物理量信息的同步感知與穩定抓取。相關論文以 “A Function-Structure-Integrated Optical Fingertip with Rigid-Soft Coupling Enabling Self-Decoupled Multimodal Underwater Sensin”為題，發表在Advanced Functional Materials 上，并當選封面文章。

如圖1所示，人類指尖由包裹在軟組織中的剛性骨骼構成，兼具靈巧操作能力與良好的機械強度。外層皮膚中分布有致密的機械感受器，能夠提供多模態觸覺反饋（如靜態力、振動和皮膚拉伸等）。受此啟發，該項研究設計了一種剛柔耦合的指尖結構，既模擬了人類指尖的形態，又保留了其功能特性。分布式光纖光柵被嵌入該結構中，作為人工機械感覺神經元，實現多模態觸覺反饋。與生物系統不同，人工多模態傳感器常存在信號耦合過強的問題，進而降低感知精度。

圖1 剛柔耦合仿生機械手指多模態仿生傳感系統

如圖2所示，該研究通過剛柔耦合的仿生結構與分布式光纖布拉格光柵（FBGs）協同設計，在cm尺度下實現了接觸力、滑移、溫度及水下壓力等多模態信號的結構自解耦感知。此外，通過功能-結構一體化設計思想，，使接觸信號增強 86.7%、滑動信號提升 128.2%；同時，借助剛柔耦合指尖內部的刻意空間功能分區，使分布式傳感節點在剛柔界面處實現有效分離，并在厘米尺度上實現了低串擾的滑移力、接觸力、環境溫度及水下壓力多模態感知（圖3）。

圖2 傳感原理、仿生結構設計與優化。(a) 基于光纖布拉格光柵的傳感原理。(b) 生物仿生指尖的剛柔結合結構。(c) 光纖布拉格光柵的分布式傳感布局。(d) 溫度傳感器-FBG1的封裝方法。(e) 凸起結構設計及壓力與滑動狀態下的形變特征。(i) 壓力作用下帶/不帶指尖凸起的形變狀態。(ii) 壓力與滑動條件下指尖凸起的形變過程。(f) FBG1-4的反射波長與光強分布。(g) 1N壓力作用下不同凸起厚度在點P處的軸向形變模擬（正向/反向滑動場景）。(h) 1N壓力作用下不同凸起厚度指尖根部的軸向形變模擬。(i) 1N壓力作用下接觸點深度方向不同凸起厚度的徑向形變模擬。

如圖3所示，多模態感知信號的光譜響應（38.7 pm/N、7.53 pm/℃?1 和 2.57 pm/kPa）可提供直接、線性且高分辨率的測量信息，觸覺響應時間小于 60 ms。該指尖傳感器表現出優異的電磁抗干擾能力、良好的機械疲勞穩定性以及數周尺度的長期運行可靠性。總體而言，該多模態仿生指尖傳感器在多物理場耦合應用場景中展現出更廣泛的適用性和卓越的綜合性能。

圖3 溫度、水下壓力感知特性。(a) 溫度與波長偏移之間的關系。(b) 水下壓力實驗平臺。(c) 不同厚度隔膜在不同水壓下的徑向變形有限元分析。(d) 0-5米水壓條件下FBG2的水下壓力信號。(e) 0-50kPa水壓范圍內FBG波長偏移的線性擬合曲線。(f) 生物仿生指尖在漸進式浸入過程中的水下壓力信號。

如圖4所示，在材料識別任務中，該多模態仿生指尖傳感器結合集成的深度學習框架，在硬度分類中取得 97.9% 的準確率，在表面粗糙度判別中實現 100% 的準確率，充分體現了其對高級觸覺認知的支持能力。此外，該項研究在低能見度或光照衰減條件下的未知水下表面（如巖壁）開展了探索性觸覺映射實驗（圖5），結果表明該指尖傳感器能夠有效完成未知表面的紋理評估，展示了其在水下考古等應用場景中的廣闊潛力。

圖4 基于多模態仿生指尖的材料屬性識別。(a) 生物仿生指尖在按壓不同硬度物體時的狀態。(b) 不同硬度塊體。(c-d) 按壓7種不同硬度塊體時的壓力信號（FBG3）與滑動信號（FBG4）。(e) 硬度與壓力信號（FBG3）/滑動信號（FBG4）之間的統計關系。(f) 用于區分不同觸覺硬度等級的混淆矩陣。(g) 生物仿生指尖識別不同粗糙度的概念示意圖。(h) 生物仿生指尖在不同粗糙度網格塊體上滑動時的壓力信號（FBG3）。(i) 用于區分不同粗糙度等級的混淆矩陣。

圖5 水下巖石紋理感知與評估。(a) 水下巖壁探測實驗。(b) 指尖傳感器對不同未知水下巖壁表面的觸覺感知響應

為驗證該仿生指尖在實時多模態感知與智能控制中的應用能力，開發了一套自適應電纜驅動雙指抓取系統。如圖6所示，系統通過串行通信協議持續監測接觸力、滑動狀態及水下壓力，相關數據由解調器采集指尖傳感器信息并傳輸。同時，上位機（PC）通過串行接口與下位機（Arduino 控制器）進行通信。系統以 50 ms 的更新周期獲取傳感器數據并執行控制循環，確保對滑動事件與力變化的及時檢測。結合基于狀態機的自適應抓取控制算法，該系統可實時可視化電纜驅動機械手操作過程中的動態觸覺感知與決策過程，并實現滑動的實時檢測與自適應抓取力調節。在同步監測水下壓力、溫度等環境參數的同時，系統仍可穩定抓取透明物體，充分體現了其在水下操控與環境感知方面的綜合性能。

圖6 水下多模態感知與柔性抓取系統。(a) 繩驅二指機械手。(b) 抓取系統的硬件架構及信號采集-反饋處理流程。(c) 多模態信息融合與反饋控制的算法流程。(d) 透明玻璃杯水下抓取實驗。

綜上所述，這項研究通過功能—結構協同設計與創新的結構解耦策略，提出了一種基于分布式光纖技術的剛柔耦合指尖傳感系統。該系統實現了接觸力、滑動、溫度及水下壓力的自解耦多模態感知，同時增強了局部應變響應，并有效區分法向力與切向力。在 30 × 30 × 50 cm3 的緊湊系統體積內，實現了光感受器分布式網絡結構的集成部署與多模態信號融合，可對多種感知模態進行實時、同步感知。該指尖傳感器展現出長期水下運行穩定性、優異的抗電磁干擾能力以及良好的綜合感知性能。通過對材料硬度與表面粗糙度的精準識別，該多模態指尖技術突破了視覺受限環境的限制，實現了對水下巖石表面紋理的感知與評估。結合滑動反饋與狀態機控制策略，搭載仿生指尖的雙指纜控水下抓取系統實現了無損抓取、自適應力調節與環境感知功能。該技術有效克服了傳統視覺傳感或單一參數傳感器在復雜水下環境中的局限性，為水下操作中的光學傳感技術提供了一種全新的集成應用范式。

論文鏈接：

http://doi.org/10.1002/adfm.202522722